第三章 燃料与燃烧0809.ppt

第三章燃料与燃烧,3-1内燃机的燃料及其热化学3-2燃料的使用特性3-3燃烧热化学3-4燃烧的基本知识,3-1内燃机的燃料及其热化学,一、内燃机的燃料汽油传统燃料石油产品柴油液化石油气（LPG）天然气（CNG）石油的主要成分碳氢化合物，占9699，少量O、N、S等，占14。石油产品是以多种碳氢化合物的混合物形式出现。分子式为CnHm通常称为烃。,,石油燃料（汽油、柴油）,,仅由碳、氢两种元素组成的化合物统称碳氢化合物，简称烃。饱和烃烷烃开链烃不饱和烃烯烃、炔烃烃环状烃脂环烃芳香烃,,,,1.根据烃分子中碳原子数的不同可构成不同分子量，不同沸点的物质,,①质轻②易挥发③化学稳定性变好④易点燃,①粘度增大②易自燃,2.除碳原子数外分子的化学结构对燃料的性能影响很大，按结构组成石油的烃主要有五类。A、烷属烃CnH2n2直链（正庚烷C7H16）HHHHHHHHCCCCCCCHHHHHHHH支链（异辛烷C8H18）HHHHHCHHHCCCCCHHHCHHHCHHH,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,呈饱和的开链结构，Ｃ↑→结构不紧凑常温稳定，但热稳定性差，高温下易分解，滞燃期较短，是柴油燃料的良好成分。,高温下也较稳定，是汽油中抗爆性好的燃料。,B、烯烃CnH2n例如乙烯HH∣∣H－C﹦C－HC、炔烃CnH2n-2乙炔H－C≡C－H,非饱和开链结构，有一个二价键，它比烷烃难于自燃，抗爆性好，但常温下稳定性差，易于氧化生成胶质。,非饱和开链结构，有一个三价链。炔烃不存在于原油中，系热裂化的中间产物。由于氢不饱和，所以很不稳定。常温下易分解，储存中因氧化而结胶。含快烃多的产品不宜作为发动机燃料.,D、环烷烃CnH2n,,饱和的环状分子结构，不易分裂，热稳定性和自发火的温度均比直链烷烃为高。环烷烃多的燃油适宜作为汽油机燃料，不适宜作柴油机燃料，环烷烃与烷烃都是石油的重要组成部分。,E、芳香烃CnH2n-6,基本化合物是苯，所有芳香烃都含有苯基的成分。在石油中含量较少，分子结构坚固，热稳定性比环烷烃高，在高温下分子不易破裂，化学安定性较前者为高，是良好的防爆剂。,3-2燃料的使用特性,一、汽油的使用性能影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等。1、馏程蒸发性馏程用燃油馏出某一百分比的温度范围来表示。为了评价燃料的挥发性，以10％、50％和90％的馏出温度作为几个有代表意义的点。（1）馏出10％的温度T1075℃标志着它的起动性。T10低→燃料容易冷车起动。但T10过低，在管路中输送时受发动机温度较高部位的加热而变成蒸气，在管路中形成“气阻”，使发动机断火，影响它的正常运转。,（2）馏出50％的温度T50145℃标志着汽油的平均蒸发性。缩短发动机的暖车时间；温度T50低提高加速性；工作稳定性。（从较低负荷向较高负荷过渡时，能够及时供应所需的混合气。）（3）馏出90％的温度T901时完全燃烧产物的数量1、1kg燃料燃烧前混合气的数量M1,汽油机（kmol/kg燃料）式中；MrT为燃料的分子质量柴油机液态燃料的体积不及空气的1/10000，即为纯空气（kmol/kg燃料）.四、燃料热值与混合气热值1、燃料热值1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。高热值包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热；低热值不包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热。,,,2、混合气热值单位数量的可燃混合气燃烧所产生的热量。,,3-4燃烧的基本知识,燃烧的定义燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量，并伴有强烈的发光现象。普通燃烧正常燃烧，靠燃烧层的热气体传质、传热给邻近的冷可燃气体混合物层而进行的燃烧传播。火焰的传播速度较小，几m/s，属于等压过程。爆炸燃烧靠压力波将冷可燃物加热至着火温度以上而燃烧。火焰的传播速度大，10004000m/s，高温高压下进行。燃烧的条件除了要有燃料、空气外，尚需达到燃烧所需的最低温度着火温度。,其中，E是活化能，T是混合气体温度，T0是器壁温度。从图中可以看出A是稳定点，B是不稳定点，C是着火温度。着火温度不是定值，Q放增大或Q散减少均能够使Tc变少。,一、着火温度,概念由缓慢氧化反应转变为剧烈氧化反应（燃烧）的瞬间叫“着火”，转变时的最低温度叫作着火温度。,例子,,,二、着火浓度范围指燃料和空气的比例必须在一定的范围内才燃烧三、固定碳的燃烧C的燃烧是氧化反应过程与扩散过程的结合。,要使C迅速燃烧，O2必须扩散至C表面，在高温下与C氧化生成碳氧化物，然后这些碳氧化物必须迅速从C表面扩散出去，以使新的O2再扩散至C表面。,三、可燃气体的燃烧连锁反应,以燃烧反应为例,按化学动力学的观点分热自燃和链锁自燃机理（一）热自燃（或热爆）●定义若化学反应所释放的热量大于散失的热量，混合气的温度升高，进而促进混合气的反应速率和放热速率增大，这种相互促进，最终导致极快的反应速率而着火。●活化能气体分子要进行化学反应需要相互碰撞，碰撞分子所具备一定大小的能量。●活化分子能量超过活化能的分子。,一、着火机理,能保证着火的缸内最低温度、压力称为着火临界温度和着火临界压力。●着火临界线在一定P0下，只要外界温度低于T0，混合气不会发生热爆；在一定T0下，只要压力低于P0，也不会发生热爆。,图3-2着火临界线,着火临界温度和着火临界压力,发动机能否着火，取决于着火阶段有无热量积累，氧化反应能否自动加速。（二）链锁反应链爆炸反应自动加速不一定要依靠热量的积累使大量分子活化，通过链锁反应逐渐积累活化中心的方法也能使反应自动加速，直至着火。●链锁反应其中一个活化作用能引起很多基本反应，即反应链。●链锁反应的过程链引发→链传播→链中断,二、发动机混合气的着火,内燃机中碳氢化合物的自燃，均属于链→热自燃，但由于发火的条件不同，有高温单阶段着火和低温多阶段着火。,,汽油机,,柴油机,,（一）汽油机－高温单级着火,1压缩的是燃料与空气的混合气体,在此过程中,已经进行了一些化学反应。2火花点火,局部温度高达2000℃以上,该处燃料分子直接分裂成大量的自由原子与自由基,迅速反应出现热火焰,瞬间扩大到整个燃烧室内。所以,汽油机着火过程压缩混合气点火（经短暂着火延迟期）热火焰－－高温单级点燃,（二）柴油机－低温多级着火,1t1阶段→混合阶段在压缩过程终了时，燃料喷入汽缸内形成可燃混合气。燃料遇到温度较高的空气，开始氧化，但速度缓慢，示功图上的压缩线没有明显的变化。混合阶段，为着火做准备。,2、t2阶段一阶段反应燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很快时，火焰就会出现。经过时间t2后，反应加剧，出现冷火焰，缸内压力超过压缩压力。在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和一氧化碳等中间产物。要求混合气较浓，0.4～0.5。,4t1t2t3时间后三阶段反应→着火延迟期活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，出现热火焰。混合气更稀，1。,3t1t2阶段二阶段反应温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中心，出现蓝火焰。混合气稀得多，略小于1。,三、发动机的燃烧方式,（一）同时爆炸燃烧取某一部分为系统,着火前后整个系统各个部分的相完全均匀一致。为单相系,均匀系。柴油机上,由于混合气分配不是十分均匀,总有某一部分混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）,取这一部分为系统,则系统内实现的就是同时爆炸燃烧。汽油机上,由于火焰有传播速度（虽然很快,但相对同时爆炸燃烧却很小）,传播逐次进行,故显然不是同时爆炸燃烧。但火花塞间隙处的少量混合气在电火花作用下,可实现同时爆炸燃烧，从而形成火焰中心。,HCCI均匀充气压燃发动机,HCCI的基本原理是将燃料和空气预先混合成稀薄气体充入发动机的汽缸，随后将其压缩到较高的压力和温度直到发生类似汽油机的敲缸反应，爆发温度峰值不超过1850K，燃烧过程能够在不形成颗粒和NOx排放的情况下完成；可使用多种燃料，是未来柴油机和汽油机的趋同，过程发生的温度和压力取决于所用燃料的燃烧特性，使用高辛烷值燃料如天然气，发动机效率接近柴油机，使用低辛烷值燃料如柴油，燃料经济性将与标准的汽油机相当，但不发生通常的污染；,HCCI的爆发过程非常难以驾驭，控制系统非常复杂，不仅要控制进气温度、压力，还要控制空燃比和燃料辛烷值等各种变量；需要采用大规模高效率的电子信息技术逐个汽缸的实时控制，是对控制系统的一个严峻挑战；能否开发出可行的系统，生产发动机仍需待以时日。,（二）逐渐爆炸燃烧（预混合燃烧）汽油机－火焰传播。两相系－混合气相（未燃区），燃烧产物相（已燃区）。加热从火花塞开始，紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加热,使氧化或活性中心增多,发生燃烧。燃烧又加热下一层,一层一层传播。燃烧主要在火焰前锋面内进行。火焰前锋面前方的未燃区中是混合气，火焰前锋面后方的已燃区中为燃烧产物和一小部分在火焰前锋面中没有燃烧掉的燃料继续燃烧。,（三）扩散燃烧柴油机的燃烧方式,三相－燃料相,空气相,燃烧产物相。柴油燃点比汽油低,但在日常生活中汽油却比柴油易燃,原因就在于汽油的挥发性好,油与空气形成混合气较快,物理准备过程已经就绪,一点即燃。柴油机中燃烧的快慢却主要取决于物理准备过程进行的快慢。油滴遇热蒸发形成燃料蒸汽,然后才能燃烧,并非油滴与空气接触就可燃烧。为防止燃烧产物将油滴与空气隔开,将组织空气相对于油滴的气流运动,将燃烧产物抛在后面。,汽油机的点火燃烧预混合燃烧,,柴油机的点火燃烧,,初始燃烧预混合燃烧,,燃烧后期扩散燃烧,,作业,1、什么叫低热值2、简述燃料的燃烧基理。3、什么叫过量空气系数4、什么叫汽油的抗爆性及柴油的发火性分别用什么来衡量5、发动机内的燃烧过程一般说来，要经历哪几个基本步骤,